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Java NIO（非阻塞IO）简介

article 2024/11/13 1:37:55

Java NIO（非阻塞IO）是一种用于高效处理大量并发连接的新式IO操作方式。与传统的阻塞IO相比，NIO提供了更高的性能和更好的并发能力。Java NIO主要包括三个核心组件：Buffer、Channel和Selector。下面将详细介绍这些组件及其基本使用方法。

Java NIO概述

Java NIO（New IO）自Java 1.4版本引入，后来在Java 7中得到了进一步增强。NIO的主要目的是解决传统阻塞IO在处理大量并发连接时的性能瓶颈。NIO采用了一种基于事件驱动和多路复用的模型，允许应用程序在单个线程上处理多个连接。

核心组件

Java NIO的核心组件包括：

Buffer：缓冲区，用于存储数据。
Channel：通道，用于读写数据。
Selector：选择器，用于监控多个通道的状态。

1. Buffer（缓冲区）

Buffer是NIO中的基本数据结构，用于存储数据。在NIO中，所有数据都必须先读入Buffer，然后再从Buffer写入目标。Buffer具有以下特点：

容量（Capacity）：Buffer的最大容量。
位置（Position）：当前读写的位置。
限制（Limit）：当前读写操作的结束位置。

常见的Buffer类型包括：

ByteBuffer
CharBuffer
ShortBuffer
IntBuffer
LongBuffer
FloatBuffer
DoubleBuffer

2. Channel（通道）

Channel是NIO中的另一个核心组件，用于连接源和目的地，实现数据的读写操作。常见的Channel类型包括：

FileChannel：用于文件读写。
SocketChannel：用于网络通信。
ServerSocketChannel：用于监听网络连接。

Channel支持以下操作：

read()：从通道读取数据到Buffer。
write()：从Buffer写入数据到通道。
close()：关闭通道。

3. Selector（选择器）

Selector用于监控多个Channel的状态，可以同时监控多个Channel的读写状态。常见的Selector操作包括：

open()：打开选择器。
register()：注册Channel到选择器。
select()：选择已准备好的Channel。
selectedKeys()：获取已选择的Channel集合。

示例代码

下面通过几个示例代码展示如何使用Java NIO进行基本的读写操作。

示例1：使用`Buffer`和`Channel`读写文件

1import java.io.FileInputStream;
2import java.io.FileOutputStream;
3import java.nio.ByteBuffer;
4import java.nio.channels.FileChannel;
5
6public class FileCopyExample {
7    public static void main(String[] args) {
8        try (
9            FileInputStream in = new FileInputStream("input.txt");
10            FileOutputStream out = new FileOutputStream("output.txt")
11        ) {
12            // 创建Buffer
13            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
14
15            // 获取FileChannel
16            FileChannel inputChannel = in.getChannel();
17            FileChannel outputChannel = out.getChannel();
18
19            // 循环读取数据
20            while (inputChannel.read(buffer) > 0) {
21                // 切换为读模式
22                buffer.flip();
23
24                // 将数据写入输出通道
25                outputChannel.write(buffer);
26
27                // 清空Buffer
28                buffer.clear();
29            }
30
31            // 关闭通道
32            inputChannel.close();
33            outputChannel.close();
34        } catch (Exception e) {
35            e.printStackTrace();
36        }
37    }
38}

示例2：使用`SocketChannel`进行网络通信

1import java.io.IOException;
2import java.net.InetSocketAddress;
3import java.nio.ByteBuffer;
4import java.nio.channels.SocketChannel;
5
6public class ClientExample {
7    public static void main(String[] args) {
8        try (
9            SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open()
10        ) {
11            // 连接到服务器
12            socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 9999));
13
14            // 创建Buffer
15            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
16
17            // 写入数据
18            buffer.put("Hello, server!".getBytes());
19            buffer.flip();
20            socketChannel.write(buffer);
21
22            // 读取响应
23            buffer.clear();
24            socketChannel.read(buffer);
25            buffer.flip();
26            byte[] response = new byte[buffer.remaining()];
27            buffer.get(response);
28            System.out.println("Received from server: " + new String(response));
29
30            // 关闭通道
31            socketChannel.close();
32        } catch (IOException e) {
33            e.printStackTrace();
34        }
35    }
36}

示例3：使用`ServerSocketChannel`和`Selector`监听网络连接

1import java.io.IOException;
2import java.net.InetSocketAddress;
3import java.nio.ByteBuffer;
4import java.nio.channels.SelectionKey;
5import java.nio.channels.Selector;
6import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
7import java.nio.channels.SocketChannel;
8import java.util.Iterator;
9import java.util.Set;
10
11public class ServerExample {
12    public static void main(String[] args) {
13        try (
14            ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
15            Selector selector = Selector.open()
16        ) {
17            // 绑定端口
18            serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));
19            serverSocketChannel.configureBlocking(false);
20
21            // 注册选择器
22            serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
23
24            while (true) {
25                selector.select();
26
27                Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
28                Iterator<SelectionKey> iterator = selectedKeys.iterator();
29
30                while (iterator.hasNext()) {
31                    SelectionKey key = iterator.next();
32
33                    if (key.isAcceptable()) {
34                        // 处理新连接
35                        ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();
36                        SocketChannel socketChannel = ssc.accept();
37                        socketChannel.configureBlocking(false);
38                        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
39                    } else if (key.isReadable()) {
40                        // 读取数据
41                        SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
42                        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
43
44                        int bytesRead = socketChannel.read(buffer);
45                        if (bytesRead == -1) {
46                            socketChannel.close();
47                        } else {
48                            buffer.flip();
49                            byte[] data = new byte[buffer.remaining()];
50                            buffer.get(data);
51                            System.out.println("Received from client: " + new String(data));
52
53                            // 回应客户端
54                            buffer.clear();
55                            buffer.put(("Echo: " + new String(data)).getBytes());
56                            buffer.flip();
57                            socketChannel.write(buffer);
58                        }
59                    }
60
61                    iterator.remove();
62                }
63            }
64        } catch (IOException e) {
65            e.printStackTrace();
66        }
67    }
68}